CN113314353B - 基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器按以下步骤制备得到：选用泡沫金属铁，作为电极的集流层；以毛竹为原材料通入氮气煅烧后加热至650～750℃碳化，洗涤制备得到毛竹碳化物；马铃薯淀粉和氯化钠、甲醇溶剂、戊二醛混合制得电解液；取电解液加入毛竹碳化物，搅拌得到混合均一的混合电解液，将集流层浸没于混合电解液中，静置干燥后，制得电极结构；取电解液平铺干燥后，制得电解质膜；将2份电极结构和电解质膜，按照电解质膜在中间层，2个电极分别位于电解质膜的上下两面的三明治方式排布，通过热压的结合方式制得所述可降解超级电容器。本发明构建了全生物可降解环保超级电容器，环境友好性好，充放电速度快，循环次数多，可用于可穿戴电子器件微能源的应用中。
Description
技术领域
本发明是属于新能源领域，具体涉及到一种新型环保可降解超级电容器。
背景技术
近年来，随着可穿戴电子器件的迅速发展，具有体积小、性能优良的自供电系统引起了人们的广泛关注，对便携储能设备的需求也如日剧增。超级电容器作为一种充放电速度快，可充放次数多的新型能源器件，备受关注。然而，由于超级电容器的制造中会涉及到很多不易降解的材料，对环境极易造成破坏，在可穿戴领域对人体的损坏也比较大。为了克服这一困难，可以利用生物材料构建可降解环保超级电容器，不仅可以拓展超级电容器在生物友好环境的应用，还可以降低新型能源器件弃用之后对环境的破坏。
发明内容
本发明的目的是针对于目前可穿戴超级电容器，制造过程中存在的材料不易降解，容易造成环境破坏的缺点，提出了一种基于可降解的环保炭材料的超级电容器及其制备方法。
这种新型可降解超级电容器采用的是以毛竹生物活性炭与泡沫金属铁材料构建可降解电极，以生物材料为电解质构建全生物可降解超级电容器。
基于本发明的上述设计目的，本发明采用的技术方案是：
基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，所述可降解超级电容器按以下步骤制备得到：
(1)选用泡沫金属铁，作为电极的集流层；
所述泡沫金属铁为多孔结构，孔的尺寸直径在10～100μm，厚度约0.5～2mm，优选1mm。
(2)以毛竹为原材料，在200-250℃(优选230℃)温度下通入氮气煅烧2～3小时，之后加热至650～750℃(优选700℃)碳化2-3 小时，再依次用HF水溶液、盐酸洗涤，最后用去离子水清洗制备得到毛竹生物活性炭；
所述步骤(2)中，用HF溶液洗涤是为了去除SiO2，用盐酸洗涤是为了去除CaCO3。
所述步骤(2)中，所述HF水溶液的质量分数为5％～30％(优选20％)；所述盐酸的质量分数为10％～37％。
(3)马铃薯淀粉和氯化钠按照质量比0.5～3:1(优选2:1)混合，并将上述混合物与甲醇溶剂按照质量比1～3:5(优选2:5)的比例混合，搅拌均匀后，所得混合液按照体积比6～12:1的比例添加戊二醛，将混合溶液搅拌均匀，制得电解液；
(4)取步骤(3)制备得到的电解液，加入步骤(2)所得到的毛竹生物活性炭，所述电解液、毛竹生物活性炭的质量比为2～2.5:1，搅拌得到混合均一的混合电解液，将步骤(1)的集流层浸没于混合电解液中，静置干燥后，制得电极结构；
取步骤(3)制备得到的电解液，平铺在平板上，静置干燥后，制得电解质膜；
所述干燥时间一般3～5小时。
(5)将按照步骤(4)制得的2份电极结构和电解质膜，按照电解质膜在中间层，2份电极结构分别位于电解质膜的上下两面，且集流层没有孔的一面朝外，多孔的填充有毛竹活性炭层的一面朝内紧贴电解质膜的三明治方式排布，通过热压的结合方式制得所述可降解超级电容器。
所述热压是在温度50～60℃，压强0.5～1.5Kpa的条件下进行热压压合，优选在温度55℃，压强1Kpa的条件下进行。
本发明还提供所述基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选用泡沫金属铁，作为电极的集流层；
(2)以毛竹为原材料，在200-250℃温度下通入氮气煅烧2～3 小时，之后加热至650～750℃碳化2-3小时，再依次用质量分数 5％～30％HF水溶液、质量分数10％～37％盐酸洗涤，最后用去离子水清洗制备得到毛竹生物活性炭；
(3)马铃薯淀粉和氯化钠按照质量比0.5～3:1混合，并将上述混合物与甲醇溶剂按照质量比1～3:5的比例混合，搅拌5-10分钟，所得混合液按照体积比6～12:1的比例添加戊二醛，将混合溶液搅拌均匀，制得电解液；
(4)取步骤(3)制备得到的电解液，加入步骤(2)所得到的毛竹生物活性炭，所述电解液、毛竹生物活性炭的质量比为2～2.5:1，搅拌20～30 分钟得到混合均一的混合电解液，将步骤(1)的集流层浸没于混合电解液中，静置干燥后，制得电极结构；
取步骤(3)制备得到的电解液，平铺在平板上，静置干燥后，制得电解质膜；
(5)将按照步骤(4)制得的2份电极结构和电解质膜，按照电解质膜在中间层，2份电极结构分别位于电解质膜的上下两面，且集流层没有孔的一面朝外，多孔的填充有毛竹活性炭层的一面朝内紧贴电解质膜的三明治方式排布，通过热压的结合方式制得所述可降解超级电容器。
本发明还提供所述基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器在可穿戴电子器件中的应用。
本发明中，整个超级电容器的设计全部采用环保材料，利用对环境无污染的泡沫铁作为超级电容集流层，利用生态电解质添加毛竹制备的生物活性炭，融合泡沫铁成为环境友好的电极结构；基于马铃薯淀粉原材料制备的生物可降解超级电容器电解质膜，并且利用热压的方式将电极和电解质膜融合，完成构建生物可降解环保超级电容器。本发明提供的超级电容器环境友好性好，充放电速度快，循环次数多，能够用于可穿戴电子器件微能源的应用中。
本发明与现有技术相比有如下技术效果：
本发明提出了一种可降解超级电容器，在电极材料上进行了优化，利用泡沫铁材料融合毛竹生物活性炭，构建了新型超级电容器电极结构，使得超级电容器的环保性得到进一步的改善。同时利用马铃薯淀粉作为原材料，构建全生物环保超级电容器，可被用于可穿戴器件的功能系统，对环境保护有积极贡献。
附图说明
图1是可降解超级电容器的结构示意图。
图2是实施例1所制备超级电容器的电流电压测试曲线。
图1中，1，2是上下泡沫铁集流层，3是泡沫铁填充有毛竹生物活性炭的活性物质层，4是生物电解质膜层。
具体实施方式
为了使本发明方案更为清晰，下面结合附图，通过一个具体的实施例，详细阐述本可降解超级电容的制造方法，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
(1)首先选用具有多孔结构，孔的尺寸直径在10～100μm，厚度约1mm左右的泡沫金属铁，作为电极的集流层1，2；尺寸为2cm*2cm；
(2)以毛竹为原材料，在优化的温度230℃下通入氮气，进行煅烧2小时，之后高温加热700℃，经过2小时碳化，之后用质量分数20％的HF水溶液洗涤去除碳化的SiO2，接着用37％的HCl水溶液洗涤去除CaCO3，随后用去离子水清洗材料获得毛竹生物活性炭；
(3)马铃薯淀粉和氯化钠按照质量比2:1混合，并将上述混合物与甲醇溶液按照质量比2:5的比例混合，搅拌5分钟，所得混合液按照体积比6:1的比例添加戊二醛，将混合溶液搅拌均匀，制得电解液；
(4)取步骤(3)制备得到的电解液，加入步骤(2)所得到的毛竹生物活性炭，所述电解液、毛竹生物活性炭的质量比为2:1，搅拌20分钟得到混合均一的混合电解液，将步骤(1)的集流层浸没于混合电解液中，静置干燥3～5小时后，制得电极结构；
按照此方法制备2份电极结构；
取步骤(3)制备得到的电解液，平铺在平板上，静置干燥后，制得电解质膜；
(5)将步骤(4)制得的2份电极结构和电解质膜，按照电解质膜在中间层，2份电极结构分别位于电解质膜的上下两面，且集流层没有孔的一面朝外，多孔的填充油毛竹活性炭层的一面朝内紧贴电解质膜的三明治方式排布，通过热压(温度55℃，压强1Kpa)的方式压合制得所述可降解超级电容器。可降解超级电容器的结构示意图如图1 所示，1，2是上下泡沫铁集流层，也就是泡沫铁没有孔的基底层，3 是泡沫铁填充有毛竹生物活性炭的活性物质层，4是生物电解质膜层。
所制备超级电容器的电流电压循环测试曲线如图2所示，扫描速率为3V/s。
Claims (9)
1.基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，所述可降解超级电容器按以下步骤制备得到：
(1)选用泡沫金属铁，作为电极的集流层；
(2)以毛竹为原材料，在200-250℃温度下通入氮气煅烧2～3小时，之后加热至650～750℃碳化2-3小时，再依次用HF水溶液、盐酸洗涤，最后用去离子水清洗制备得到毛竹生物活性炭；
(3)马铃薯淀粉和氯化钠按照质量比0.5～3:1混合，并将上述混合物与甲醇溶剂按照质量比1～3:5的比例混合，搅拌均匀，所得混合液按照体积比6～12:1的比例添加戊二醛，将混合溶液搅拌均匀，制得电解液；
(4)取步骤(3)制备得到的电解液，加入步骤(2)所得到的毛竹生物活性炭，所述电解液、毛竹生物活性炭的质量比为2～2.5:1，搅拌得到混合均一的混合电解液，将步骤(1)的集流层浸没于混合电解液中，静置干燥后，制得电极结构；
取步骤(3)制备得到的电解液，平铺在平板上，静置干燥后，制得电解质膜；
(5)将按照步骤(4)制得的2份电极结构和电解质膜，按照电解质膜在中间层，2份电极结构分别位于电解质膜的上下两面，且集流层没有孔的一面朝外，多孔的填充有毛竹活性炭层的一面朝内紧贴电解质膜的三明治方式排布，通过热压的结合方式制得所述可降解超级电容器。
2.如权利要求1所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，其特征在于所述步骤(1)中，所述泡沫金属铁为多孔结构，孔的尺寸直径在10～100μm，厚度为0.5～2mm。
3.如权利要求1所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，其特征在于所述步骤(2)中，所述HF水溶液的质量分数为5％～30％；所述盐酸的质量分数为10％～37％。
4.如权利要求1所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，其特征在于所述步骤(2)中，煅烧的温度为230℃，碳化的温度为700℃。
5.如权利要求1所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，其特征在于所述步骤(3)中，马铃薯淀粉和氯化钠的质量比为2:1，马铃薯淀粉和氯化钠的混合物与甲醇溶剂的质量比为2:5。
6.如权利要求1所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，其特征在于所述步骤(5)中，所述热压是在温度50～60℃，压强0.5～1.5Kpa的条件下进行热压压合。
7.如权利要求5所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器，其特征在于所述步骤(5)中，所述热压是在温度55℃，压强1Kpa的条件下进行。
8.如权利要求1所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器在可穿戴电子器件中的应用。
9.如权利要求1所述的基于毛竹生物活性炭电极的可降解超级电容器的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)选用泡沫金属铁，作为电极的集流层；
(2)以毛竹为原材料，在200-250℃温度下通入氮气煅烧2～3小时，之后加热至650～750℃碳化2-3小时，再依次用质量分数5％～30％HF水溶液、质量分数10％～37％盐酸洗涤，最后用去离子水清洗制备得到毛竹生物活性炭；
(3)马铃薯淀粉和氯化钠按照质量比0.5～3:1混合，并将上述混合物与甲醇溶剂按照质量比1～3:5的比例混合，搅拌5-10分钟，所得混合液按照体积比6～12:1的比例添加戊二醛，将混合溶液搅拌均匀，制得电解液；
(4)取步骤(3)制备得到的电解液，加入步骤(2)所得到的毛竹生物活性炭，所述电解液、毛竹生物活性炭的质量比为2～2.5:1，搅拌20～30分钟得到混合均一的混合电解液，将步骤(1)的集流层浸没于混合电解液中，静置干燥后，制得电极结构；
取步骤(3)制备得到的电解液，平铺在平板上，静置干燥后，制得电解质膜；
(5)将按照步骤(4)制得的2份电极结构和电解质膜，按照电解质膜在中间层，2份电极结构分别位于电解质膜的上下两面，且集流层没有孔的一面朝外，多孔的填充有毛竹活性炭层的一面朝内紧贴电解质膜的三明治方式排布，通过热压的结合方式制得所述可降解超级电容器。
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